Chapitre 3 : Une histoire du modèle atomique

Dans le chapitre 2 nous avons vu que l’élément chimique était différent de l’atome. Voyons cela d’un peu plus près.

Le modèle en science

La science évolue et grandit en construisant des modèles. La vérité absolue n’existe pas (tout est relatif disait l’autre). On ne peut donc bâtir des théories uniquement sur les phénomènes qu’on peut observer et comprendre. On fabrique alors un modèle destiné à décrire le phénomène et à en prévoir ses effets.

Mais le temps passant, les technologies évoluent. Nous sommes capable de voir plus loin, plus petit… Le phénomène ne se comporte plus alors de la manière prédite par le modèle. Il est alors temps de faire évoluer le modèle. 

La matière est un des exemples les plus flagrants de ces évolutions au cours des siècles, voyons-en les grandes lignes.

Querelle antique :

Aux alentours du IVème siècle avant J.C. deux théories sont en compétition : la théorie des quatre éléments défendue par Aristote et la théorie atomique défendue par Leucippe et Démocrite.

(384 av J.C – 322 av J.C)

Aristote
Grec

La Théorie des Quatre éléments

La matière est une combinaison en proportion plus ou moins grande des quatre éléments.

La théorie des quatre éléments repose sur l’idée que toute chose est une combinaison des quatre éléments de base : l’eau, l’air, le feu et la terre. Ainsi une table sera composé principalement de terre, d’un peu d’eau et de quelques traces d’air et de feu…

Cette théorie, facilement compréhensible pour le simple paysan grec prévaudra sur l’autre concept, pourtant plus proche de la réalité qui décrivait la matière comme un assemblage de corpuscules invisibles et indivisibles appelée atomes (atomos signifiant insécable en grec) s’accrochant les uns avec les autre à l’aide de petit crochets à la manière des pièces d’un puzzle.

(460 av J.C – 370 av J.C)

Démocrite
Grec

Le modèle de l’atome crochu

La matière est constituée de particules insécables s’accrochant les unes aux autres à l’aide de crochets.

La réputation « mondiale » d’Aristote finira d’achever la théorie atomique et il faudra attendre plus de 2000 ans avant que l’on change radicalement notre conception de la matière. 

Le retour en grâce de l’atome :

Au début du XIXème siècle, nos connaissances sur la matière sont plus développées. Notre vision « philosophique » de la matière laisse place à une vision purement scientifique.

Depuis l’essor de la chimie moderne à la fin du XVIIIème siècle (Cavendish, Lavoisier…) nous sommes capables de quantifier les proportions de chaque espèces réagissant lors d’une transformation chimique.

On se rend compte alors que les substances réagissent en suivant des proportions précises et surtout de façon proportionnelles. 

Par exemple une portion d’oxyde d’azote composé de diazote et de dioxygène pèserait 30 g, une portion de dioxyde d’azote pèserait 46 g et enfin une portion de trioxyde d’azote 62 g soit une différence de 16 g à chaque fois. Les trois substances n’étant composées que des éléments azote et oxygène.

(1766 – 1844)

John Dalton
Britannique

Modèle de la boule de billard

La matière est constituée d’un assemblage de sphères de tailles et de masses différentes.

En 1810, John Dalton, scientifique britannique (celui-la même qui s’intéressera aux déficiences visuelles connues plus tard sous le nom de daltonisme), comprend alors que la matière est composée de différentes particules, de forme sphérique, possédant des tailles et des masses différentes, comme des boules de billard, surnom du modèle. Ce modèle expliquant alors parfaitement l’exemple ci-dessus.

Malheureusement les limites technologiques de l’époque (l’électricité étant encore balbutiante) l’empêche de pouvoir creuser plus loin. De quoi est constituée la sphère ? Est-elle creuse ? Pleine ? Impossible à ce moment de le savoir. Ce n’est que partie remise…

 

De la découvert de l’électron… :

Un peu moins d’un siècle plus tard, en 1897, John Thomson, lors de ses recherches sur les rayons cathodiques, montre l’existence d’une petite particule qu’il appelle « corpuscule » et qui prendra plus tard le nom « d’électron ». La sphère de Dalton, parfaitement lisse et uniforme n’est donc plus en mesure d’expliquer la matière.

(1856 – 1940)

Joseph J. Thomson
Britannique

Modèle du Plum-Pudding

La matière est constitué de corpuscules électriquement négatif (électrons) voyageant à travers un nuage sphérique électriquement positif.

Thomson propose alors un nouveau modèle. L’atome est toujours sphérique mais plus uniforme. Bien que parfaitement neutre il possède deux entités différentes chargées positivement et négativement et s’annulant l’une l’autre. L’atome est donc un nuage de forme sphérique chargé positivement dans lequel circule des électrons chargés négativement. 

…à la découverte du noyau :

Il ne faudra que quelques années pour que ce modèle ne devienne à son tour obsolète.

L’expérience de Rutherford :

En 1911 Ernest Rutherford, ancien élève de Thomson, réalise plusieurs études des particules α (deux ans auparavant il montra que ces particules α, connues depuis les travaux d’Henri Becquerel et du couple Curie sur la radioactivité naturelle, étaient en réalité de l’hélium débarrassé de ses électrons).

Aidé de son étudiant H. Geiger (qui inventera plus tard le compteur de radiation portant son nom) il bombarde une très fine feuille d’or avec ces particules α. Il obtient alors des résultats auxquels il ne s’attendait pas ! 

En effet la majorité des particules α traversent la feuille d’or mais une petite partie d’entre elles sont déviées vois même repartent en arrière. Résultats qui n’auraient pas dû être observés avec le modèle de Thomson.

(1871 – 1937)

Ernest Rutherford
Néo-zélandais

Expérience de Rutherford

Une feuille d’or est bombardée de particules alpha. Les impacts sont visualisés sur un écran

Rutherford en déduira trois faits :

  1. L’atome est essentiellement constitué de vide (puisque la majorité des particules ne sont pas déviées).
  2. Le centre de l’atome est très dense et chargé positivement pour que les particules α soient aussi déviées.
  3. Le troisième fait est celui qui lui pose le plus de problème. Les électrons ne sont pas mélangés au noyau positif ce qui devrait pourtant être le cas. Or ils sont situés, à distance, sans jamais chuter. 
L’apport de Niels Bohr :

Ce dernier fait fut très difficilement accepté et admis par la communauté scientifique qui ne connaissaient à l’époque que la mécanique classique. 

En fait les lois physiques connues à l’époque ne permettaient pas d’expliquer pour quoi les électrons, négatifs, ne tombaient pas vers le noyau, positif (un peu comme deux aimants se collant l’un à l’autre lorsqu’on approche leur deux pôles opposés). Comment expliquer et admettre d’ailleurs l’existence d’un noyau constitué de particules positives qui devraient se repousser entre elles. Un tel modèle ne pourrait qu’imploser !

Un des élèves de Rutherford, Niels Bohr, « réglera » le premier problème en proposant l’idée que les électrons ne pouvaient occuper que certaines orbites autour du noyau tout en pouvant passer de l’une à l’autre (sans d’ailleurs qu’il soit possible de l’observer : c’est le saut quantique).

C’est Rutherford qui se chargera lui-même du second problème en supposant l’existence d’une autre particule à l’intérieur du noyau, non chargée, destinée à neutraliser la répulsion des particules positives.

L’atome tel que nous nous le représentons commence à prendre forme : il ressemble alors à un système solaire où le Soleil serait le noyau et les planètes les électrons. 

Le noyau serait à son tour constitué de deux particules :

  • Les protons de charge électrique positive
  • Les neutrons, sans charge électrique.
(1885 – 1962)

Niels Bohr
Danois

Modèle Planétaire

La matière est désormais composée d’atomes constitués d’un noyau chargé positivement et constitué de protons et neutrons autour duquel gravitent des électrons sur des orbites bien définies.

L’atome quantique :

Si le modèle planétaire pouvait être satisfaisant aux premiers abords certains phénomènes demeuraient inexpliqués. Comment expliquer avec ce modèle le comportement de l’électron tantôt agissant comme une particule, tantôt agissant comme une onde. On est alors capable de déterminer la trajectoire d’un électron lorsqu’il se déplace ou sa position par rapport au noyau à un instant donné.

Mais on ne peut prévoir les deux en même temps, la recherche de l’un empêchant automatiquement la connaissance de l’autre.

Cette dualité et cette incertitude sur la nature des particules conduisent les scientifiques, notamment les scientifiques Louis de Broglie (français) et Werner Heisenberg (allemand) à élaborer une nouvelle vision de la physique : c’est la naissance de la mécanique quantique.

(1892 – 1987)

Louis de Broglie
Français

Modèle Quantique

La matière est constituée d’atomes constitués d’un noyau autour duquel circulent des électrons dans un nuage électronique.

(1901 – 1976)

Werner Heisenberg
Allemand

L’atome évolue donc une nouvelle fois. Si la vision du noyau n’est pas bouleversée, les électrons ne circulent plus sur des orbites mais dans un nuage électronique formant une sphère au contour incertain. La position et la trajectoire de ces derniers devenant statistique (on calcule alors la probabilité de présence de l’atome à un instant et en une région donnés).

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